本方案描述了一种定制化笼具系统,可用于群养小鼠在无需束缚、符合动物福利的前提下,同时且独立地自愿采集粪便样本。
方法文章
本方案描述了一种定制化笼具系统,可用于群养小鼠在无需束缚、符合动物福利的前提下,同时且独立地自愿采集粪便样本。
可靠地测定粪便皮质酮代谢物需要能够分配到个体动物且在特定时间窗口内收集的粪便样本。对于群养小鼠而言,这具有挑战性,因为混合的笼内样本无法实现个体分配,而临时隔离可能影响动物福利和研究结果。本方案旨在介绍一种简单、低成本的笼具系统,可实现群养小鼠自愿、同步且个体化的粪便样本采集。该系统由一个带金属网盖的聚碳酸酯笼具与三个独立的收集盒连接组成。经过适应和训练后,小鼠会自愿进入收集盒以获取少量食物奖励。随后可在无需追逐、抓取或强制转移的情况下关闭门体。每个收集盒中的粪便颗粒可单独收集,从而在采样期间外维持群养条件的同时,将样本准确归于个体动物。该方案支持非侵入性的纵向采样,适用于测定粪便皮质酮代谢物或其他粪便生物标志物的研究。该装置可使用标准笼具材料和有机玻璃轻松制作,可拆卸清洗,并支持多个笼具并行采样。该方法通过减少与操作相关的干扰并提高采样时间窗口的标准化程度,为群养小鼠的内分泌监测提供了一种实用的优化方案。
评估血浆皮质酮浓度的一个主要挑战在于,采样过程本身可能诱发皮质酮的急性升高,从而干扰测量结果,并可能影响研究结论的解读1,2,3。检测粪便皮质酮代谢物(FCM)提供了一种非侵入性的替代方法,因为FCM浓度反映的是采样前数小时内的循环糖皮质激素水平,具体时间取决于物种、品系、性别及肠道通过时间4,5。然而,在群养小鼠中进行可靠的FCM分析仍然具有挑战性。从饲养笼中收集的混合粪便样本无法追溯至个体动物,且由于个体间糖皮质激素分泌的差异以及确切采样时间窗的不确定性,可能导致结果变异性较高。长时间将动物隔离可能干扰研究目标,而为采集个体样本进行短期分离则工作量大、通量受限,并且本身也可能引起应激反应2。
为了以最少的操作实现对群养小鼠个体粪便样本的采集,研究人员开发了一种定制的粪便采集笼(图1A-E)。该设计借鉴了先前报道的用于刺鼠的粪便采集笼6,并针对实验小鼠进行了改良。该系统由一个标准的聚碳酸酯III型笼子与三个独立的采集盒连接而成,动物可自主进入采集盒,并通过滑动门将其关闭。该装置可在采样期间无需直接抓取小鼠即可收集其个体粪便样本,同时支持多只动物的同步采样。因此,该笼具为群养小鼠提供了一种实用的、可归因于个体的非侵入性粪便皮质酮代谢物(FCM)采样方法。
以下方案描述了一种粪便采样系统,该系统利用定制的笼具实现无接触粪便采集,可在保持小鼠群养环境的同时,对个体小鼠的粪便样本进行收集和鉴定。
在开展研究之前,已咨询维也纳医科大学负责任的动物伦理委员会,该委员会建议本研究无需正式的动物实验许可证;因此,无批准文件或方案编号可供提供。本研究仅涉及常规的繁育和饲养管理操作,以及非侵入性的粪便样本采集,未实施任何侵入性操作。根据欧盟指令2010/63/EU,预计对动物造成的负担被评估为低于因按照良好兽医实践进行针头穿刺所引起的疼痛、痛苦、应激或持久性伤害的阈值。所有动物的饲养和护理均符合机构动物福利标准。
1. 笼子的制作(参见材料清单)
2. 动物准备与饲养
3. 动物的适应性训练与训练
注意:组装完成的笼具由一个饲养笼(PTIII)和一个带有三个独立收集盒(PTII)的采样笼连接而成。饲养笼可像普通笼具一样使用,内含垫料、笼内丰富化设施、无外部固定件的金属网盖,并可提供食物和饮水。该系统可拆卸清洗,且仅在采样周使用。在非采样周,动物可饲养于标准的PTIII笼具中。
4. 粪便样本的采集
在一项比较长期繁殖和间歇繁殖小鼠的纵向研究中,利用定制的粪便采样笼成功定量了粪便皮质酮代谢物(FCMs)。代表性FCM分析共包括30只动物:长期繁殖组,5个笼子中共15只动物;间歇繁殖组,5个笼子中共10只动物,其中5只雄性单独饲养,仅在3次繁殖事件期间与雌性共同饲养。样本在更换笼具日及周末共19个双周时间点采集。大多数动物进入采样箱的平均时间为7.5分钟(标准差SD = 3.07),大多数时间点参与采样的动物平均为27.6只(SD = 1.44),总计30只小鼠。所有小鼠进入采样箱的平均时间为11.69分钟(SD = 3.29)。所有小鼠的平均拘束时间为24.56分钟(SD = 15.51),从第一只小鼠进入采样箱到开始释放的平均时间为43.14分钟(SD = 8.51)。平均释放持续时间为14.86分钟(SD = 22.82),整个操作过程的平均持续时间为68.00分钟(SD = 11.87)。在19次采样(3次试采 + 16次常规采样)中,预期采集480份样本,其中2份样本因小鼠在拘束期间未排便而缺失,3份样本因小鼠处于高度妊娠期或刚分娩后无法采集,另有5只小鼠需要轻柔辅助才能进入采样箱。前三次采样所收集样本的平均重量为51.16毫克(SD = 25.39)。在总共采集的475份样本中,有473份可进行分析并获得结果。
每只动物被视为生物学重复。在同一动物上于八周研究期间内多次采集的粪便样本被视为纵向重复测量数据,而非独立的生物学重复。分析采用线性混合效应模型进行,其中将性别、繁殖组别、采样时间点和每笼小鼠数量作为固定效应,笼子作为随机截距。模型中还包含了性别、繁殖组别和采样时间点之间的交互作用。每笼小鼠数量作为额外的固定效应纳入模型,但未在交互项中进行检验,因为该变量与实验设计部分混杂,特别是在间歇性繁殖的雄性小鼠中。
该模型显示性别对 FCM 浓度具有显著影响(图 3A-D)。在不同繁殖条件和采样日期下,雌性的 FCM 浓度均高于雄性,估计值 = 28.30,标准误(SE)= 2.58,t = 10.98,P < 0.0001。事后比较分析进一步证实了这种性别差异,无论在哪个繁殖组和采样日均存在。在持续繁殖动物中,雌性在周日的 FCM 浓度高于雄性,估计值 = 53.41,SE = 8.28,P < 0.0001;在周三同样更高,估计值 = 55.27,SE = 8.37,P < 0.0001。间歇性繁殖动物也呈现相同趋势:在周日,雌性 FCM 浓度高于雄性,估计值 = 58.04,SE = 12.00,P < 0.0001;在周三,估计值 = 59.68,SE = 9.88,P < 0.0001。
该模型还显示繁殖组具有显著的主效应,估计值 = 11.59,标准误(SE)= 4.65,t = 2.49,P = 0.0227。然而,在各性别与采样日期组合内,经Tukey法校正的事后比较未发现持续繁殖组与间歇繁殖组动物之间存在显著差异。在雌性动物中,持续繁殖组与间歇繁殖组在周日无显著差异(估计值 = 24.51,SE = 12.20,P = 0.2085),周三亦无显著差异(估计值 = 17.31,SE = 12.20,P = 0.4950)。同样,在雄性动物中,周日未检测到显著的繁殖组差异(估计值 = 29.14,SE = 14.00,P = 0.1708),周三亦无显著差异(估计值 = 21.72,SE = 13.30,P = 0.3682)。因此,繁殖组的显著主效应应被解释为整体模型层面的效应,而在性别与采样日期内的更具体的事后比较(经Tukey校正)并未识别出稳健的组间两两差异。
雄性小鼠在不同繁殖组之间无显著差异尤为重要,因为雄性小鼠在每周日均被单独饲养。因此,雄性小鼠在周日的比较结果表明,取样方法本身不会增加粪便皮质酮代谢物(FCM)浓度,至少在雄性小鼠中如此。粪便取样笼还被用于另一项研究,该研究比较了污染垫料哨兵小鼠与对照组小鼠的FCM水平9。

图 1:定制粪便采样笼的总体结构。 该笼具系统可在不直接抓取小鼠的情况下,从群养笼中单独收集每只小鼠的粪便样本。(A) 完整组装的笼具系统,包含一个主饲养笼和一个连接的粪便采样笼。(B) 连接式采样笼的侧面视图。(C) 俯视图,显示通往三个独立收集盒的三个独立入口。(D) 从主饲养笼内部朝向采样盒入口的视角。(E) 打开的采样笼,便于接触收集盒以取出粪便颗粒并进行清洁。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:粪便采样笼的构建方案与组装示意图。(A-C)使用亚克力玻璃部件构建采样笼的底板、侧壁、滑动门和隔板。(D)通过移除底部并在收集盒盖上钻孔和开槽,对聚碳酸酯II型笼具进行改装。(E)通过在前侧钻三个入口孔,对聚碳酸酯III型饲养笼进行改装。(F)组装后笼具系统的示意图侧视图,显示聚碳酸酯III型饲养笼与改装后的聚碳酸酯II型采样笼的连接方式,以及部件1、2和4的相对位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:使用自制采样笼收集粪便样本后获得的代表性粪便皮质酮代谢物(FCM)数据。 采用自制粪便采样笼,对群养小鼠个体排出的粪便样本进行收集,并测定其中的粪便皮质酮代谢物(FCMs)。图中显示了长期繁殖组与间歇繁殖组小鼠在连续八周每周采样时间点的FCM水平。样本采集分别在换笼日或周末进行。各数据点及连接线表示每个时间点的组均值,误差线和阴影带表示均值±标准差(SD)。(A)在换笼日采样的雌性小鼠。(B)在周末采样的雌性小鼠。(C)在换笼日采样的雄性小鼠。(D)在周末采样的雄性小鼠。该图表明,本方法可在所有组别和时间点检测到可测量的FCM浓度。总体而言,雌性小鼠的FCM浓度高于雄性小鼠,而不同繁殖组之间的差异则较不一致。请点击此处查看该图的放大版本。
补充图1:亚克力玻璃组件1-3的模板。 用于从5 mm厚的亚克力玻璃/有机玻璃上切割部件1、2以及3a-c的模板,以构建粪便采样笼。部件1作为改良型聚碳酸酯II型笼的底部插入件。部件2用于连接聚碳酸酯III型笼与聚碳酸酯II型笼,并标记相应的钻孔位置。部件3a-c构成收集系统的内部隔板/结构元件。白色圆形标记表示通气孔,较小的标记表示螺丝孔。请点击此处下载该文件。
补充图2:亚克力玻璃部件4a和4b的模板。 用于从5 mm厚的亚克力玻璃/有机玻璃上切割部件4a和4b的模板。这些部件插入部件1中,用于固定底部插入件,并将采样笼分隔成独立的粪便收集盒。下方的凸起部分构成收集盒的支腿,而上方的凸起部分穿过顶部盖板,并用木棒或筷子固定,以稳定整体结构。白色圆圈表示用于插入木棒的孔或通气孔。请点击此处下载该文件。
补充图3:聚碳酸酯II型笼具的改造。 改造聚碳酸酯II型笼具的示意图模板。按图示将笼具底部切除,并将其用作粪便收集盒的顶盖。在切除的底部区域钻孔和开槽,以便插入并固定部件4a和4b。利用螺钉孔将聚碳酸酯II型笼具、聚碳酸酯III型笼具以及部件2进行连接固定。请点击此处下载该文件。
补充图4:聚碳酸酯III型笼具前部的改造。 聚碳酸酯III型笼具前侧钻孔的示意图。在笼具的短侧钻出三个圆形开口,以实现动物居住笼与粪便采集笼之间的通路。额外的螺钉孔用于将该部件固定至部件2和聚碳酸酯II型笼具。请点击此处下载该文件。
本方案描述了一种用于收集群体饲养小鼠可单独归因粪便样本的简易笼具系统。该方法的主要优势在于,它能够在保持群养关键特征(特别是与笼内同伴的视觉和嗅觉接触)的同时,实现对个体样本的归属。这一点非常重要,因为群养通常符合动物福利要求,也可能构成实验设计的一部分10。与混合采集家庭笼内粪便样本的方法相比,该系统可将粪便皮质酮代谢物(FCM)数值归因于特定个体,同时避免在采样前或采样期间对动物进行长时间单独饲养。
实验室小鼠粪便样本采集的常用方法包括笼内混合采样、临时单独饲养于清洁笼具中、代谢笼采集,以及在抓取或转移后直接采集。笼内混合样本易于获取,具有非侵入性、成本低且可同时对多个笼具进行平行采样的优点,但无法实现群养动物个体来源的归属。临时单独饲养或转移至清洁笼具可实现个体样本的对应,但会使动物脱离其社会群体,并可能因抓取、环境新奇性或社会隔离而引入急性应激反应。这一点对于粪便皮质酮代谢物(FCM)分析尤为重要,因为与皮质酮相关的检测指标对采样过程本身引起的应激非常敏感11。代谢笼可实现受控的样本采集,并允许粪便与尿液分离,但需要专用设备,与常规饲养管理兼容性较差,且通常需要单独饲养动物。基于直接抓取的采集方法也可获得可归属个体的样本,但需要反复抓取或操作动物,因而可能影响与应激相关的检测结果。
与现有的这些方法相比,本系统被设计为一种适用于群体饲养环境的改进方法,可用于重复、无创的个体粪便采样。经过适应和训练后,小鼠会为了获取少量食物奖励而自愿进入采样箱。因此,可在无需追逐、抓取或强制转移到其他笼子的情况下收集样本。从严格的实验意义上讲,不应将本系统视为已证实能够改善动物福利或降低应激水平的方法,因为本研究未包含直接的福利评估指标。然而,该系统的设计旨在减少采样过程中个体与群体的社会分离程度,因此可能比传统的个体采样方法对动物的干扰更小。此外,该系统可同时对多只动物和多个笼子进行采样,有助于标准化采样时间窗口,这一点非常重要,因为粪便皮质酮代谢物(FCM)浓度受昼夜节律影响,并反映采样前数小时的糖皮质激素分泌情况5,12。
代表性结果表明,该系统适用于收集可用于分析粪便皮质代谢物(FCM)浓度的粪便样本。在不同组别和时间点均获得了可测量的FCM浓度,且该方法检测到了预期的显著性别差异,即雌性的FCM浓度高于雄性。本研究还包含了与雄性动物传统单笼饲养方式的内部比较。在周日,间歇性繁殖组的雄性动物被单独饲养,而持续繁殖的雄性动物则使用新开发的收集系统进行采样。在周日,这两组之间的FCM浓度无显著差异。这表明,动物自愿进入采样笼并在收集箱中短时间停留,与传统的单笼饲养采样相比,并未明显升高FCM浓度。然而,该比较仅限于雄性动物,且并非设计为专门的等效性或交叉验证研究。因此,未来的研究应在均衡的实验条件下,将该系统与已建立的单独饲养或代谢笼方法进行比较,并纳入采样过程中急性应激的行为学指标。
除了评估粪便皮质酮代谢物外,该系统还可用于需要短期收集个体粪便样本的其他应用。潜在应用包括寄生虫学检查、微生物群分析、消化研究或其他粪便生物标志物检测。通过少量技术改进,该系统或许还可改造用于尿液收集,例如通过引入带孔的笼底以及在动物下方设置合适的收集托盘。对于这些应用,与传统单独饲养或代谢笼方法相比,在样本采集期间保持与笼内同伴近距离接触的可能性可能更具优势。然而,对于每种特定样本类型及后续分析,尤其是当污染、样本量、采集时间或储存条件至关重要时,需对系统的适用性进行验证。
通常,在首次采样前应使动物适应采样箱环境,个体标记在所用光照条件下必须清晰可见,且在整个研究过程中应在每天相同时间进行采样。若个体身份不确定、粪便颗粒被污染、采样持续时间与计划时间窗口存在显著差异,或粪便样本量不足以进行分析,则应排除该样本13。多种实际因素可能影响采样系统的适用性,包括等级支配关系、攻击性行为、食物动机的个体差异、品系差异,以及肥胖、老龄、妊娠、产后或其他功能受损动物的活动能力下降或行为改变。然而,在本研究队列中,动物自愿进入采样箱的比例和采样成功率均较高。在预期的480次常规采样中,有2次因小鼠在限制期间未排便而缺失,3次因动物处于高度妊娠状态或刚分娩后无法采集。因此,共收集到475份样本,其中473份获得了可分析结果。这些数据表明,在本研究所采用的条件下,动物拒绝进入采样箱或采样失败的情况极为罕见。尽管如此,对于其他品系、更大群体,或活动能力、身体状况、健康状态或社会行为发生改变的动物,可能需要额外的适应训练或方案调整。该方法的其他局限性包括需要进行训练,目前仅适用于每组三只小鼠的小规模群体,且丙烯酸玻璃(有机玻璃)部件不能通过蒸汽高压灭菌。
该笼具成本低廉,易于使用标准笼具材料和丙烯酸玻璃制作,且无需电子元件。其设计允许拆卸、清洁,并可整合到常规的换笼流程中,适用于重复性的纵向采样。总体而言,该系统为小鼠无创、可个体分配的粪便采样提供了一种实用且兼容群养的解决方案。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
我们感谢Pollak教授对本文发表的支持。
Katharina Tillmann 深深感谢她已故的祖父 Bruno Wochner 的支持。Bruno Wochner 在99岁高龄时仍参与了笼具系统的设计,提供了他的木工车间,并协助完成了打磨和建造工作。他对工艺与建造的热情始终是激励她的源泉,谨在此致以深切的谢意与怀念。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 毫米钻头 | Craftomat | 22380487 | 直径 5 mm;数量 1 |
| 60 毫米钻头 | Bosch | 32064647 | 直径 60 mm;数量 1 |
| 7 毫米钻头 | Craftomat | 22380520 | 直径 7 mm;数量 1 |
| 钻孔机 | Makita | 25730054 | 标准手持式或台式钻机;数量 1 |
| 热熔胶枪 | Einhell | 29051207 | 用于笼具组装;数量 1 |
| 热熔胶棒 | Einhell | 29049664 | 与热熔胶枪兼容;数量 5–10 |
| Makrolon 笼具 | Animalab | 31200129 | 标准 II 型笼具;数量 1 |
| Makrolon 笼具 | Animalab | 31200256 | 标准 III 型笼具;数量 1 |
| 有机玻璃 / 丙烯酸玻璃 | Bauhaus | 29122352 | 总面积约 0.25 m²;厚度 5 mm;数量 2 张 DIN A3 尺寸板材 |
| 锯子或铣削设备 | Scheppach | 32079641 | 小型带锯、曲线锯或数控铣床;数量 1 |
| 螺纹螺钉 | Profi Depot | 10807533 | 20 mm × 3 mm;数量 4 |
| 木筷子 / 木棒 | Ikea | 903.429.71 | 圆形木棒;数量 3 |
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